north european power perspectives

north european power perspectives SOMMARLÄSNING På väg mot en elförsörjning baserad på enbart förnybar el i Sverige En studie om behovet av reglerkraft Version 2. Lennart Söder NEPP internal report 213

Inledning... 3 1.1. Nytt i Version 2.... 4 1.2. Planerade fortsatta studier... 4 2. Funktionen i ett kraftsystem... 4 2.1. Att hålla balans i ett kraftsystem... 5 3. Sveriges nuvarande elförsörjning... 6 3.1. Energibalanser... 6 3.2. Effektbalanser... 7 3.3. Prissättning av el... 1 Prissättning av vattenkraft... 11 Koppling mellan drift och prissättning... 12 3.4. Elhandel... 12 4. Energimöjligheter... 14 4.1. Vattenkraft... 14 4.2. Vindkraft... 16 4.3. Sol el... 21 4.4. Andra tekniker för förnybar produktion och balansering... 25 5. Energi och effektbalanser vid 55 TWh vind + sol kraft... 25 5.1. Exempel 1: 45 TWh vind + 1 TWh sol... 25 5.2. Exempel 1: Energibalans varaktighetskurvor... 26 5.3. Exempel 1: Effektvariationer... 26 5.4. Exempel 1: Effektbalanser... 28 5.5. Exempel 2: 55 TWh nettotillförsel vid 75 procents begränsning... 29 5.6. Exempel 2: Effektvariationer... 34 5.7. Exempel 3: 55 TWh vind + sol och ingen kärnkraft... 36 Vattenkraftens variation av effekt och månadsenergi... 38 Behov av övrig produktion... 4 6. Andra rapporter om integration av större mängder variabel förnybar energi... 41 6.1. Svenska Kraftnäts rapporter från 28 och 212... 41 6.2. Kungliga Vetenskapsakademiens Energiutskott... 42 6.3. Detaljerade vattenkrafts simuleringar vid KTH... 42 7. Slutsatser... 47 Bilaga 1: Hantering av elbalansen inom en timme... 49 8. Litteraturförteckning... 54 2

Inledning Det finns i såväl Sverige som i andra länder en diskussion om att öka mängden förnybar el. European Commission har t ex ett framtids scenario för Energy Roadmap 25 som består av 97 procent förnybar energi (European Commission, 211). I Sverige avser Energimyndigheten att på eget initiativ starta en utredning om hur Sveriges energisystem kan komma att se ut i framtiden. Framförallt handlar det om att ta fram kunskap om vilka energikällor som på ett kostnadseffektivt sätt kan fylla luckan, om ingen vill investera i ny kärnkraft i Sverige. (Sveriges Radio, 213) Syftet med denna rapport är att ge en kvalitativ förståelse om det förändrade behovet av reglerkraft vid en mycket större andel variabel förnybar elproduktion än idag. Detta är en andra upplaga där möjligheterna att integrera 55 TWh vind och solkraft studeras. I rapporten visas att trots en mycket större andel variabel förnybar kraft så sker inga dramatiska förändringar av behovet av reglerkraft jämfört med idag, dvs kraftsystemets förmåga att följa med nettoförbrukningen från timme till timme. Nettoförbrukningen avser [förbrukning] [vindkraft+solkraft] dvs den förbrukning som övriga kraftverk, inom eller utom landet, ska klara av. Anledningen är att vindkraftens variation från timme till timme är relativt liten, under ca 1% av installerad effekt, medan elförbruknings variation är betydligt större. En mer detaljerad studie, där upp till 3 TWh vindkraft har studerats och vattenkraften studerats på älv och aggregat nivå, ger liknande resultat, dvs inga dramatiska förändringar av behovet av reglerkraft. En annan aspekt av reglerkraft är förmågan att klara den högsta elförbrukningen i ett system med mycket variabel elproduktion, ofta benämnd högeffektreserver. I rapporten visas att den generella slutsatsen är att storleksordningen i kostnad för att klara denna utmaning är på nivån noll eller enstaka ören per kwh. En grundläggande fråga är då vad som menas med enbart förnybara energikällor. Frågeställningen uppstår eftersom Sverige är en del i det Nordiska elsystemet som i sin tur är en del i det Europeiska elsystemet som i sin tur är kopplat till såväl Afrika (Spanien Marocko) som Ryssland (till Ural bergen via Finland och Baltikum). I hela detta elsystem finns en kontinuerlig handel mellan länder och regioner. Vad som här avses med enbart förnybara energikällor är att elproduktionen per år från förnybara elenergikällor i Sverige ska motsvara elkonsumtionen i Sverige per år. Detta kan dock innebära att vid vissa tillfällen exporteras el, och vid andra tillfällen importeras el. Om man skulle ställa kravet att ingen el får importeras om den inte kommer från förnybara energikällor så förbjuder man därmed elhandel eller också får man studera enbart förnybara energikällor i Europa, Nordafrika och Ryssland bort till Uralbergen. Den systemgräns som här valts är därmed årsstatistik. Detta innebär dock inte att frågan om effektbalans försummas. Från den kunskap som hittills tagits fram, inklusive denna rapport, om större mängder vind och solkraft finns inget hinder till att det skulle vara möjligt att, t ex, erhålla 55 TWh/år från vind och solkraft i Sverige. Ur ekonomisk synvinkel behöver dock fler, mer detaljerade, studier göras för att ta reda på hur det mest rationella elsystemet baserat enbart på förnybara energikällor ska se ut. Om man ser detta som en möjlig utveckling kan det mycket väl visa sig att det är ekonomiskt rationellt att redan idag anpassa beslut (regler och investeringar) efter vad som är lämpligt för detta framtida elsystem. 3

De storheter som används är för elenergi TWh terawattimmar = miljarder kwh kilowattimmar, och för eleffekt MW megawatt = en miljon Watt. Om 1 MW används/produceras under en timme motsvarar det energimängden 1 MWh, Megawattimme. 1 TWh = 1 miljon MWh. 1.1. Nytt i Version 2. Version 1. av denna rapport publicerades den 19 november 212 (34 sidor). Det har sedan kommit in flera kommentarer och önskan om förtydliganden. Denna upplaga (57 sidor) inkluderar: a) Vilken typ av reglerkraft hanteras/hanteras inte i rapporten (beskrivs nu i kapitel 2), b) frågan om svängmassa vid hög andel kraftverk utan synkronmaskiner (beskrivs nu i kapitel 2, Bilaga 1 och extra exempel i kapitel 5.5), c) ytterligare en aspekt på hantering av frågan om ansvar för effektbalans (beskrivs nu i slutet på kapitel 5.4). d) beskrivning av timsimuleringar och utmaningar vid 55 TWh vind+sol och ingen kärnkraft, e) en del detaljer beskrivs om vilka simuleringsmetoder som använts. 1.2. Planerade fortsatta studier När det gäller nivån 3 TWh/år från vindkraft har relativt detaljerade simuleringar genomförts där det svenska vattenkraftsystemet och vattendomar har beaktats, se kapitel 6.3. I dessa beräkningar förutsätts dock att samtliga andra kraftverk idag (utom vind och vatten) även i framtiden används i fortsättningen på precis samma sätt som idag. Denna detaljeringsgrad har dock inte använts för alternativet med 55 TWh vind och solkraft. Detta innebär att det finns ett behov av följande studier: a) Scenarier då flera av dagens kraftverk är stängda b) Scenarier då andra kraftverk, elbilar etc i Sverige kan delta i den reglering som behövs c) Scenarier med, t ex, 55 TWh vind och solkraft d) Scenarier med 1 procent förnybar el som svensk produktion e) Scenarier med en Nordisk och/eller Nordeuropeisk modell inklusive handelsmöjligheter inkluderande reglerbehov och regler möjligheter i grannländer f) Beräkningar för olika typer av år: våtår, torrår, vindår etc g) etc Exakt upplägg av dessa studier diskuteras för närvarande (mars 213). 2. Funktionen i ett kraftsystem Ett kraftsystem består av kraftverk, generatorer samt de ledningar, kablar och transformatorer som kopplar ihop alla kraftverken med de olika elförbrukarna. Till detta kommer mät informations och skyddssystem som används för att hantera hela systemet på ett effektivt sätt. Funktionen i kraftsystemet är att: 1. Se till att konsumenterna erhåller den efterfrågade effekten (t ex en 6 W lampa), när de trycker på on knappen. Detta ska fungera oavsett om det är haverier i kraftverk, blixten slår ner i en ledning, en utlandsförbindelse havererar, det blåser etc. Detta är detsamma som att kontinuerligt upprätthålla en balans mellan total produktion och total konsumtion. 2. Se till att konsumenter får en rimlig spänning, t ex ca 23 V, i vägguttaget. Om spänningen avviker för mycket fungerar inte utrustningen som avsett. 3. Punkten 1 2 ska upprätthållas med rimlig tillförlitlighet. Denna är aldrig 1,... procent, eftersom detta är orimligt dyrt. 4

4. Punkt 1 3 ska upprätthållas på ett såväl ekonomiskt som hållbart sätt. I denna rapport behandlas huvudsakligen punkten 1, 3 och 4 ovan, dvs hur man i ett framtida elsystem med stor andel förnybar kraft upprätthåller balansen mellan produktion och konsumtion på ett rimligt sätt. 2.1. Att hålla balans i ett kraftsystem Det är fysiskt omöjligt att göra av med el, t ex använda en 6 W lampa, utan att det exakt samtidigt tillförs exakt samma mängd produktion på något sätt. Det är därmed fysiskt omöjligt att låna energi. På samma sätt är det fysiskt omöjligt att producera el utan att denna exakt samtidigt konsumeras. Detta innebär därmed att i samtliga elsystem så gäller alltid att total elproduktion = total elkonsumtion inklusive förluster Detta är inte en önskan utan gäller definitionsmässigt alltid. Ett extremt exempel är ett totalt haveri i elsystemet då ekvationen ovan innebär att det är noll på båda sidor, dvs ingen elproduktion och ingen elkonsumtion. I de flesta kraftverk finns dock en svängmassa, dvs rotorn i generatorn som tillsammans med själva turbinen roterar. Detta innebär en upplagrad energi, dock väldigt liten i praktiken om man tittar på ett sådant kraftverk så gäller: turbineffekt + ändrad effekt i svängmassan = elproduktion Detta innebär i praktiken att om elproduktionen plötsligt ökar och turbineffekten (t ex mängden vatten genom ett vattenkraftverk) inte ökar exakt samtidigt, så kommer denna extra effekt istället från svängmassan som därmed bromsas och rotationshastigheten minskar. Utmaningarna i ett kraftsystem kan klassificeras enligt Figur 1. Som framgår av figuren finns det fenomen som blixtnedslag i elledningar (vilka leder till överspänningar som ofta ger ett överslag till stolpar, vilket i sin tur leder till en kortslutning vilket i sin tur leder till att ledningen kopplas bort, vilket antingen leder till elavbrott, eller att strömmen flyttas till en parallell gående ledning) som sker på mikrosekundskala upp till investeringar som kan ta fler år. Samtliga fenomen i Figur 1 måste kunna hanteras för att elförsörjningen ska fungera tillfredsställande. Med reglerkraft avses här att man håller balans mellan total produktion och konsumtion inom tidsintervallet timme till dygn, men för att detta ska fungera måste även de andra fenomenen kunna hanteras. Ett exempel är att om man har en viss elförbrukning under en timme (energi/timme, MWh/h) så ändras normalt förbrukningen kontinuerligt inom timmen, och även dessa förändringar måste kunna hanteras. Under de senaste åren i Sverige har bedömningen varit att den huvudsakliga utmaningen vid större mängder vindkraft är just i detta intervall (timme dygn) och inte vad som sker från sekund till sekund. Detta är skälet till att endast detta perspektiv behandlades i version 1. av denna rapport. Vid stora mängder vind och solkraft kan dock även snabbare fenomen, dvs ändringar från sekund sekund, innebära utmaningar. 5

Figur 1 Tids och frekvensintervall för olika fenomen i ett kraftsystem (Lennart Söder, 211). Med Reglerkraft avses intervallet timme till dygn. Mer detaljer om denna hantering inklusive viss hantering ner till sekundnivå beskrivs i mer detalj i Bilaga 1: Hantering av elbalansen inom en timme. 3. Sveriges nuvarande elförsörjning 3.1. Energibalanser Den svenska energiförsörjningen har under de senaste 2 åren byggt på en stor andel vattenkraft och kärnkraft. På senare år (29 212) har dock kärnkraften producerat på en lägre nivå än tidigare. Vattenkraftens årsproduktion varierar mellan olika år beroende på tillrinningen från regn och snösmältning, samt beroende på hur mycket vatten som sparas mellan olika år. Den normala vattenkraftsproduktionen baserat på beräkningar med underlag för tillrinningarna (196 21) är 65,5 TWh och lagringskapaciteten i de svenska vattenkraftsmagasinen är 33 TWh (Svensk Energi, 211). Tillrinningen från regn och snösmältning varierar dock och extremvärden har varit 55 TWh (1996 torrår ) och 79 TWh (21 våtår ). Vid torrår använder man normalt mer av vattnet sparat från året innan och under våtår så sparar man mer till nästa år. Detta gör att elproduktionen inte varierar lika mycket som tillrinningen mellan olika år. Förutom vattenkraft och kärnkraft finns i Sverige elproduktion inom industrin (så kallat industriellt mottryck) samt i kraftvärme (man producerar elkraft och fjärrvärme samtidigt). I vissa extrema situationer används också elproduktion i oljeeldade kraftverk (Karlshamn) och i gasturbiner (också fossilbränsle). Vindkraften har ökat under de senare åren genom att fler vindkraftsverk byggs. Även vindkraften varierar mellan olika år, på grund av olika väder, men dessa variationer är något mindre än vattenkraftens variation mellan olika år (Soder L., 1999). 6

Elproduktion från solceller är mycket liten i Sverige för närvarande, men i t ex Tyskland har det varit en mycket stor expansion under senare år. Tabell 1 visar elproduktionen i Sverige under de senaste åren Kraftslag 29 21 211 212 1 Vattenkraft [TWh] 65,3 66,8 66 78 2 Kärnkraft [TWh] 5 55,6 58 61 3 Vindkraft [TWh] 2,5 3,5 6,1 7,1 4 Kraftvärme bio+avfall [TWh] 5,5 6,5 5,5 5 Kraftvärme olja, kol, gas [TWh] 3,8 5,9 3,9 6 Industrimottryck bio [TWh] 5,5 5,8 5,5 7 Industrimottryck olja, kol, gas [TWh],4,4,9 8 Kondens olja [TWh],7,5 1 9 Total elproduktion [TWh] 133,7 145 146,9 161 Andel förnybar elproduktion [procent] 58,9% 57,% 56,6% Import (+), export ( ) 4,7 2,1 7,2 2 Total konsumtion 138,4 147,1 139,7 142 Totalt=15 detaljer ej tillgängliga Tabell 1: Elenergiproduktion fördelat på kraftslag (Svensk Energi, 211) Andelen förnybart beräknas som den andel av total produktion som kommer från vattenkraft, vindkraft och biobränslen, dvs (rad 1+3+4+7)/(rad 9). 3.2. Effektbalanser I ett elsystem hålls i praktiken en kontinuerlig balans mellan produktion och konsumtion. Det finns ingen egentlig lagring i själva nätet utan så fort som konsumtionen ökar så finns det system som gör att också produktionen ökar exakt lika mycket. Samma system (den så kallade frekvensregleringen) gör att en ökning av vindkraftsproduktionen direkt medför minskning i annan produktion (i Sverige vattenkraft) om elförbrukningen antas konstant. Ibland används uttryck som elbrist eller elöverskott, men dessa termer är inte tekniska (i fysiken är det omöjligt med konsumtion utan produktion) utan snarare ekonomiska, där elbrist avser att någon vill förbruka el, men det finns ingen kapacitet, medan elöverskott avser att det finns kraftverk som egentligen inte borde byggts då de inte används på ett rationellt sätt. Det är en utmaning att komma fram till hur man ska få in tillräckligt med kapacitet i ett elsystem så att man mycket sällan behöver koppla bort kunder (som egentligen vill fortsätta konsumera). Utmaningen i det nordiska systemet är kopplat till extrema väderlekar (mycket kallt under längre tid) som gör att elvärmda hus i stora delar av Sverige samtidigt används på hög nivå. Utmaningen är också kopplad till el tillgången i grannländerna, dvs om de samtidigt har hög elförbrukning och om deras möjligheter att exportera till Sverige under dessa tillfällen. I Sverige är dessa situationer mycket ovanliga (några timmar och inte vartenda år), vilket gör att man måste ha tillgång till effekt som nästan aldrig används. Om man, till exempel, bygger en gasturbin som enbart används 5 timmar varje år så är kostnaden för elproduktionen i detta kraftverk 6 kr/kwh. Det är bland annat detta som medfört att man idag har ett stort intresse av att få till ett system så att kunder kan få betalt om de minskar konsumtionen. Om man t ex stänger av sin elpanna (5 kw) under den timme när gasturbinen annars behövts så sparar men en kostnad om 3 kr för elsystemet förutsatt att 7

gasturbiner därmed inte behöver byggas. Det finns många som är beredda att minska sin elkonsumtion, eventuellt med ett automatiskt system, om man får den ersättningen. Flera studier har gjorts för Sverige gällande detta, se t ex (Fritz, 26) För att hantera extrema situationer och förhindra att elkunder ofrivilligt kopplas bort, har vi i Sverige infört ett speciellt system, den så kallade Effektreserven, vilket bland annat inneburit en speciell lagstiftning (Svenska Kraftnät, 212). Enligt denna upphandlar Svenska Kraftnät inför varje vinter maximalt 175 MW kapacitet, vilket kan vara såväl kraftverk som frivillig (betald) minskning av konsumtionen. Denna upphandling innebär att de som kontrakteras får en fast ersättning för vintern, till skillnad från andra elproducenter som enbart får betalt då de producerar. I Tabell 2 sammanställs hur de senaste effekttopparna hanterats. Det kan påpekas att man i denna statistik studerar energi per timme [MWh per timme], motsvarande genomsnittseffekt [MW] per timme. Vilka kraftverk som används en given timme bestäms av deras tillgänglighet (de måste fungera) och det pris de önskar få betalt för att köra (är kravet högre än verkligt pris körs inte Kraftslag Installerad effekt [MW] 21 dec 29 16 17 [MW] 8 jan 21 17 18 [MW] 22 dec 21 17 18 [MW] 23 feb 211 8 9 [MW] Förbrukning 2418 2539 267 26 Vattenkraft 16197 124 1325 19 1233 Vindkraft 2899 9 31 33 24 Bio+avfall 3195 Fossilt bränsle 4793 383 4 338 248 Kärnkraft 9363 533 67 87 793 Effektreserv Prod. + kons. Ja i SE4 Ja Ja låg nivå Nej Totalt: 36447 2129 2366 2331 2298 Import Norge 3595 188 81 66 Import Danmark 244 958 1543 1769 Import Finland 245 9 715 235 Import Tyskland 6 598 296 26 Import Polen 6 Total import: 9685 318 175 337 24 Tabell 2 Installerad effekt från (Svensk Energi, 211), Last och produktions data från (Svenska Kraftnät, 21 211), Import data från (Nordpool spot, 21 211) kraftverket). Mer om prissättning i avsnitt 2.3. De timmar som sammanställs nedan är de timmar som haft högst förbrukning per kalenderår. Det kan påpekas att ibland finns istället statistik för högst elförbrukning per vinter, vilket ibland ger andra tidpunkter. I verkligheten måste effektbalans upprätthållas varje timme (och sekund) medan tabellen enbart visar genomsnitt per timme. Toppkonsumtionen är viktig, speciellt när det gäller hur mycket effekt som måste finnas tillgängligt, antingen som produktion inom landet eller som import utifrån. Det kan också finnas möjligheter att minska elkonsumtionen med olika åtgärder. Det är dock inte bara toppförbrukningen som är intressant utan även generellt hög förbrukning samt hur lång tid förbrukningen är på hög nivå. Ett sätt att beskriva detta är med en varaktighetskura. 8

Denna visar hur lång tid en viss nivå överskrids. I Figur 2 visas en varaktighetskurva för svensk elförbrukning år 211. Denna kurva erhålls genom att man tar alla elförbrukningsnivåer under året och sorterar dem i fallande ordning. Den visar, till exempel, att den högsta elförbrukningen var 26174 MW (överskrids aldrig = h) och den lägsta var 8884 MW (överskrids alltid = 876h). Av figuren framgår också att under 1 timmar var elförbrukningen högre än 2468 MW. Detta innebär, till exempel, att om man har tillgång till 2468 MW hela året så behöver man mer effekt (import eller annan produktion) under 1 timmar. 3 x 14 2.5 2 2468 MW effekt i MW 1.5 1.5 1 2 3 4 5 6 7 8 9 Antal timmar då effektnivån överskrids Figur 2 Varaktighetskurva för elförbrukningen i Sverige 211 Förutom toppförbrukning (Tabell 2) och hur vanlig en situation är (Figur 2), så måste kraftsystemet även klara av att hantera förändringar. Det innebär att när elförbrukningen ökar eller minskar så måste vissa kraftverk följa med så att produktion = konsumtion i varje ögonblick. Exempel på detta visas i Figur 3, där ändringarna avser energi/timme. 6 4 6 4 Ändring inom 1 timme [MWh/h] 2-2 Ändring inom 4 timmar [MWh/h] 2-2 -4-4 -6.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2 2.2 2.4 Initial netto-förbrukning [MWh/h] x 1 4-6.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2 2.2 2.4 2.6 2.8 Initial förbrukningsnivå [MWh/h] x1 4 Figur 3 Ändring av elförbrukning i Sverige under 211 under 1 timme (vänster) respektive 4 timmar (höger). Data från (Svenska Kraftnät, 21 211) 9

I Figur 3 visas samtliga effektändringar för 211 för 1 respektive 4 timmar i form av punkter. Den vänstra figuren visar att förbrukningsökningen under en timme var mindre än 2 MW under 95 procent av tiden medan förbrukningsminskningen under en timme var mindre än 1 MW under 95 procent av tiden. Under 4 timmar är motsvarande data ca 5 MW för ökningar och 4 MW för minskningar. Avseende 4 timmars ändringar så framgår att stora ökningar inte är vanliga vid hög elförbrukning, vilket är naturligt, och att större minskningar inte heller är vanliga vid låga nivåer. Detta har betydelse för vilka marginaler man behöver ha vid driften av kraftsystemet. För det svenska systemet kan nämnas att vattenkraftsproduktionen är ca 65 TWh/år motsvarande en genomsnittseffekt om 74 MW. Vattenkraftverk kan ändra sin produktion inom 5 1 minuter vilket gör att dessa kraftverk är mycket flexibla. En möjlig begränsning som alltid måste beaktas är den hydrologiska kopplingen där vatten från ett kraftverk kommer fram till nästa inom en viss tid och då måste det finnas utrymme i det magasinet. En annan relevant fråga är hur länge som effekttoppar varar. I dagsläget är frågan inte så central, men i en framtid då man kan klara kortare effekttoppar genom flexibel elförbrukning och/eller lagring, så spelar längden på effekttopparna roll. För de data som analyserats här, dvs svenska elförbrukningen 211 gäller längd på effekttoppar enligt Figur 4. Den högsta elförbrukningen under 211 var 26174 MWh/h. x 1 4 2.6 nivå på effekttopp [MWh/h] 2.55 2.5 2.45 1 2 3 4 5 6 7 längd på effekttopp [h] Figur 4: Utseende på effekttoppar under 211 som funktion av tiden. Figuren visar, till exempel, att den längsta effekttoppen över 245 MW varade i 6 timmar. 3.3. Prissättning av el Producenterna av el behöver intäkter för att kunna finansiera drift av och reinvesteringar i sina kraftverk. Prissättningen i Sverige går till på följande sätt. Vi utgår från en viss timme, kl 8. 9. 1. Dagen innan, senast kl 12, ska kraftbolagen lämna in ett bud för hur mycket de vill ha betalt i kronor per MWh produktion. För kraftverk som drivs med bränsle (kärnkraft, kraftvärme) ligger budet ofta i nivå med driftskostnaden, dvs de vill åtminstone ha betalt för bränslet. För 1

vattenkraft, se nedan. För Sverige måste man ange vilket delområde i Sverige som budet avser. Det finns fyra områden i Sverige. 2. Svenska Kraftnät och motsvarande organisationer i våra grannländer har innan 12. gjort en uppskattning av hur mycket el som kan transporteras mellan de olika svenska områdena, samt till/från grannländer för den givna timmen. 3. De som säljer el i de olika områden skickar in sina bud på vad de är beredda att betala för att köpa el. Normalt ligger det så högt så att de får det som de efterfrågat. 4. För varje område i Sverige sätts sedan ett pris. Priset sätts på en nivå så att produktionen blir lika stor som konsumtionen i varje område. Vad gäller mellan områden så går alltid elen från ett område med lågt pris till ett område med samma eller högre pris. Detta är den huvudsakliga prissättningen för närvarande. En konsekvens av denna metod är att såväl produktion som konsumtion bygger på prognoser för vad man tror behövs flera timmar in i framtiden. Detta gör att man har andra system för att justera för dessa förändringar (Elbas, så kallad intra day handel respektive reglermarknaden inom timmen). Dessutom är inte konsumtionen konstant inom varje timme. Som framgår i Figur 2 så kan konsumtionen ändras med 2 MW mellan olika timmar och balansen måste hållas kontinuerligt. Prissättning av vattenkraft Vattenkraft har en direkt driftskostnad som är mycket låg. Vattnet är i princip gratis. Vatten kan dock lagras i magasin. I Sverige har vi en total magasinskapacitet om ca 33,7 TWh (Svensk Energi, 211). Detta innebär att ägarna till vattenkraftverken kan välja när vattnet ska användas, dvs vid ett visst tillfälle eller spara till senare. Om vi tar situationen ovan, dvs en viss dag kl 8. 9.. När vattenkraftsägarna väljer vilket pris de vill ha för sin vattenkraft så är alternativet till att sälja det just denna timme att spara det till framtiden. Om man tror att man kan sälja det sparade vattnet en vecka senare och då få 4 kr/mwh (= 4 öre/kwh) så vill man åtminstone få samma pris om man ska sälja det just denna timme. Detta innebär att prissättningen av vattenkraft beror på: a) Möjligheter att spara vatten, vilket beror på tillrinning och utrymme i magasinen b) Elpriset i framtiden i den situation som man sparar vattnet till Båda dessa faktorer är osäkra vilket gör att olika bolag kan göra olika bedömningar. Dessutom varierar förutsättningarna beroende på vårflod, kall vinter, regnig höst etc vilket medför att priset på vattenkraft varierar stort över året och mellan olika år. Det kan påpekas att företagen prissättning av vattenkraft i princip inte står i motsättning till ett samhällsekonomiskt utnyttjande av vattnet! Vid mycket höga elpriser används normalt bränsleeldade kraftverk med mycket höga driftskostnader någonstans i elsystemet, normalt inte i Sverige utan i våra grannländer. Ur ekonomisk synvinkel är det bra att man minskar användningen i dessa kraftverk och det är därmed bra att man så mycket som det är möjligt sparar vatten till dessa tillfällen. Det bästa är därmed att använda vattenkraften när elen är som dyrast vilket dagens prissättningsmekanism bör leda till. Det kan dock tilläggas att när man studerar ett visst år i efterhand så har vattenkraftägarna nästan alltid gjort fel, dvs de har t ex sparat för mycket vatten från höst till vår (ger högre priser på hösten) eller för lite (ger högre priser på våren). Man måste dock beakta att detta just är en efterhandsanalys, och det är inte lätt att avgöra vad som är strategiskt beteende och vad som berodde på att man trodde fel. 11

Koppling mellan drift och prissättning Elförbrukningen varierar kontinuerligt. Detta medför att elproduktionen också måste variera på samma sätt. Ska producenterna producera mer vid ett visst tillfälle måste därmed priset vara högre vid detta tillfälle. Detta göra att priset i princip följer med i takt med konsumtionsändringen. Hög konsumtion motsvarar högt pris och låg konsumtion motsvarar lågt pris. Det finns dock stora mängder vattenkraft i Sverige och grannlandet Norge. Det gör att vattentillgången får en central betydelse på veckomedelvärdet på elpriset. Mycket vattentillgång går att man inte behöver den dyrare bränsledrivna kraften vilket ger lägre pris. Av stor betydelse är även elhandeln mellan olika områden och länder. Om elpriset är högre i Tyskland än i Sverige under en given timme så säljer man så mycket som möjligt till Tyskland. Om elpriset, å andra sidan är lägre i Tyskland så importerar Sverige istället under den timmen. Detta system måste beaktas när man studerar tabell 2 ovan, dvs hur elsystemet och dess resurser utnyttjades vid en hög elförbrukning. Att Sverige importerar betyder att import var den billigaste lösningen vid detta tillfälle, dvs billigare än att använda ytterligare svenska kraftverk. Kan också tilläggas att 23 feb 211, 8 9 så exporterades 235 MWh till Finland samtidigt med hög elförbrukning i Sverige. Elhandeln ger ett mer utjämnat pris mellan olika områden och gör att man kan dela på resurser. Alla länder behöver inte ha kapacitet att klara alla interna extrema situationer eftersom dessa inte inträffar exakt samtidigt i alla länder. 3.4. Elhandel Sverige har en relativt stor möjlighet att handla med grannländerna. Som framgår av Tabell 2 har Sverige en import kapacitet om 9685 MW, och ungefär lika stor exportmöjlighet. Hur denna handelmöjlighet utnyttjas beror på elpriset i Sverige och i grannländerna. Elen flyter från områden med lägre pris till högre pris, eller mellan områden med samma pris och då från områden med överskottsproduktion till områden med underskottsproduktion. I Figur 5 visas ett exempel på vilken elhandel Sverige hade med grannländerna under 211. 6 5 Import till Sverige [MW] 4 3 2 1 5 1 15 2 25 3 35 4 Export från Sverige [MW], år 211 Figur 5 Elhandel mellan Sverige och grannländerna under 211 (Nordpool spot, 21 211) 12

Varje punkt i Figur 5 visar en specifik timme, dvs hur mycket import och export det var under varje timme. Från figuren framgår att det ofta är både import och export. Det finns ett par timmar utan export, men endast en med ingen import. Den genomsnittliga mängden el som transporteras genom Sverige (dvs minimum av export och import) var under 211 14 MW, motsvarande 12,3 TWh energi som därmed transporterades genom Sverige. 6 4 Elhandel per timme [MW] 2-2 -4-6 1 2 3 4 5 6 7 8 9 Antal timmar som handeln överskreds [h], år 211 Figur 6 Varaktighetskurvor för export (översta kurvan), import (kurvan i mitten) och nettoimporten (nedersta kurvan) för Sverige, år 211. (Nordpool spot, 21 211) Ett annat sätt att visa på elhandeln är att studera varaktighetskurvor, där man kan se hur vanligt olika nivåer på import och export är. Under 211 var exporten högre än importen, dvs nettoimporten var huvudsakligen negativ, se Figur 6. Nettohandeln varierar mellan olika år. I Figur 7 visas varaktighetskurvor för nettoimporten för tre olika år. Under 29 (översta kurvan) var det nettoimport på årsbasis medan det under 28 och 29 var nettoexport på årsbasis. 6 4 Elhandel per timme [MW] 2-2 -4-6 1 2 3 4 5 6 7 8 9 Antal timmar som handeln överskreds [h] Figur 7 Varaktighetskurvor för nettoimport för Sverige för 28 (mitten), 29 (överst) och 211 (nederst), (Svenska Kraftnät, 21 211) För att kunna balansera förbruknings och andra variationer (t ex från vindkraft) i Sverige och i grannländerna så ändras elhandeln från timme till timme. Hur stora dessa förändringar är kan visas i grafer på samma sätt som visades i Figur 3 för elförbrukningen. 13

2 2 15 15 Ändring inom 1 timme [MWh/h] 1 5-5 -1 Ändring inom 1 timme [MWh/h] 1 5-5 -1-15 -15-2 -4-3 -2-1 1 2 3 4 Initial netto-import [MWh/h], 28-2 -4-3 -2-1 1 2 3 4 Initial netto-import [MWh/h], 29 Figur 8 Ändring av nettoimporten till Sverige under 28 under 1 timme (vänster) och 29 (höger). Data från (Svenska Kraftnät, 21 211) Figur 8 visar hur nettoimporten till Sverige ändrades inom en timme för de två åren 28 och 29. Figur 9 visar motsvarande för ändringar inom 4 timmar. 4 4 3 3 Ändring inom 4 timmar [MWh/h] 2 1-1 Ändring inom 4 timmar [MWh/h] 2 1-1 -2-2 -3-4 -3-2 -1 1 2 3 4 Initial netto-import [MWh/h], 28-3 -5-4 -3-2 -1 1 2 3 4 5 Initial netto-import [MWh/h], 29 Figur 9 Ändring av nettoimporten till Sverige under 28 under 4 timmar (vänster) och 29 (höger). Data från (Svenska Kraftnät, 21 211) 4. Energimöjligheter 4.1. Vattenkraft Vattenkraften bidrar till en stor del av Sveriges Energiförsörjning. Produktionen varierar mellan olika år beroende på nederbörd och hur mycket som sparas mellan olika år. Den installerade effekten är 16197 MW (se Tabell 2), men det är inte så vanligt att den installerade effekten används av olika anledningar. I Figur 1 visas varaktighetskurvor för hur vattenkraften användes i Sverige under 28 och 211. 14

14 14 12 12 Total vattenkraft [MW] 1 8 6 4 Total vattenkraft [MW] 1 8 6 4 2 2 1 2 3 4 5 6 7 8 9 Vatteneffektens varaktighet = hur lång tid viss nivå överskrids [h]: 28 1 2 3 4 5 6 7 8 9 Vatteneffektens varaktighet = hur lång tid viss nivå överskrids [h]: 211 Figur 1 Varaktighetskurva för vattenkraftsproduktionen under 28 (vänster min=1875 MW, max=12951 MW) och 211 (höger min=2546 MW, max=12839 MW). Data från (Svenska Kraftnät, 21 211) Som framgår av Figur 1 så har för dessa två år effekten varierat mellan ca 2 och 13 MW. Vattenkraften är det kraftslag i Sverige som varierar mest och används för att balansera produktion och konsumtion. Skälet till att just vattenkraften används är att övriga kraftverk (huvudsakligen kärnkraft, kraftvärme, vindkraft och industriellt mottryck) har lägre marginalkostnad (= extra kostnad för att producera ytterligare en MWh) än elpriset och pga detta vill man därför av ekonomiska skäl använda dessa kraftverk så mycket som det går. Vattenkraftens variation kan också, på samma sätt som för elförbrukningen, beskrivas med hur vanligt olika ändringar är, se Figur 11 4 3 4 3 Ändring inom 1 timme [MWh/h] 2 1-1 Ändring inom 1 timme [MWh/h] 2 1-1 -2-2 -3 2 4 6 8 1 12 14 Initial vattenkraftsnivå [MWh/h]: 28-3 3 4 5 6 7 8 9 1 11 12 Initial vattenkraftsnivå [MWh/h]: 211 Figur 11 Ändringar av vattenkraftens produktion inom en timme för 28 (vänster) och 211 (höger). Data från (Svenska Kraftnät, 21 211) Som framgår av dessa figurer så användes vattenkraften mer för snabbare reglering under 28 (upp till ca +35 MW mellan två timmar), medan den maximala ökningen under 211 var ca 25 MW mellan två timmar. Motsvarande data för ändringar inom 4 timmar visas i Figur 12. 15

8 8 6 6 Ändring inom 4 timmar [MWh/h] 4 2-2 -4 Ändring inom 4 timmar [MWh/h] 4 2-2 -4-6 -6-8 2 4 6 8 1 12 14 Initial vattenkraftsnivå [MWh/h]: 28-8 2 4 6 8 1 12 14 Initial vattenkraftsnivå [MWh/h]: 211 Figur 12 Ändringar av vattenkraftens produktion inom fyra timmar för 28 (vänster) och 211 (höger). Data från (Svenska Kraftnät, 21 211) Även för fyra timmarsreglering var ändringen något högre för vattenkraften under 28 (ca +7 MW) medan ändringen under 211 var upp till ca +6 MW. 4.2. Vindkraft Ett vindkraftverk producerar el från vinden. Energin som tas upp kommer från den rörelseenergi som finns i vinden. När man tar ut energin minskar vindhastigheten, dvs det blåser mindre på läsidan av vindkraftverket än på lovartsidan där vinden kommer ifrån. Det är inte tekniskt möjligt att ta ut all energi ur vinden eftersom det skulle innebära att det är vindstilla på läsidan av vindkraftverket. Man kan visa att man maximalt kan ta ut 59 procent av energin i vinden i ett vindkraftverk (Betz lag). Figur 13 visar hur mycket energi man kan få ut från ett visst vindkraftverk (Magnusson, 24) samt hur mycket energi som teoretiskt (beaktat 59 procent möjligt) går att få ut från vinden. 16 14 Möjlig produktion effekt [procent] 12 1 8 6 Vindkraftverk 4 2 5 1 15 2 25 3 vindhastighet [m/s] Figur 13 Vind effektfunktion för ett vindkraftverk 16

Som framgår av figuren så tar man ut så mycket som möjligt upp till ca 11 m/s. Därefter begränsas produktionen. Detta sker genom att man flöjlar bladen. Mellan ca 17 25 m/s får man maximal effekt. Orsaken till att man gör detta är att man annars måste bygga kraftigare generator och maskiner så att mer effekt kan erhållas. Samtidigt är vindar över 11 12 m/s mycket ovanliga så man gör en ekonomisk bedömning av vilken effektnivå som är lämplig för en given vindturbin, dvs en given längd på bladen. Figur 13 visar också en streckad kurva där man halverar den maximala effekten i vindkraftverket genom att flöjla bladen redan vid ca 9 m/s. Konsekvensen av detta blir a) man får ut mindre energi, b) man får oftare maximal effekt. Av detta framgår tydligt att man inte kan värdera ett vindkraftverk efter hur ofta man får maximal effekt. I praktiken innebär en mycket lång tid med maximal effekt att man oftare flöjlar bladen, dvs man spiller vindenergi eftersom den inte används. Vindkraften har ökat i Sverige under de senaste åren. Tabell 3 visar utvecklingen under de senaste 9 åren. År 24 25 26 27 28 29 21 211 212 Årsenergi (TWh),9,9 1, 1,4 2, 2,5 3,5 6,1 7,1 Installerad effekt 31 dec [MW] 452 493 583 832 185 1448 219 2899 3744 Tabell 3: Vindkraftens utveckling i Sverige 24 212, (Energimyndigheten, 212), (Svensk Energi, 211) För framtiden finns en mycket stor potential för vindkraften. I (Svensk Energi, 211) framgår att: Svensk Energi gjorde en egen investeringsenkät år 28 som visade på en total investeringsvolym om 3 miljarder kronor fram till år 218 under förutsättning att vindkraften fortsätter att byggas ut till nivån cirka 17 TWh år 22. Vindkraften står för cirka en tredjedel av den totala volymen. Svenska Kraftnät gjorde en sammanställning 21 211 med en viss uppdatering 212. Både on shore och några off shore ingick. En grov uppskattning var att ca hälften av projekten då var i stadiet indikation/scanning, det allra tidigaste stadiet. Siffran blev 45 MW och omfattar vindkraftprojekt som SvK, Vattenfall, Fortum och E.ON antingen redan har anslutet eller fått förfrågningar om. Med förfrågningar avses allt ifrån lösa frågor till regelrätta anslutningsansökningar. En kartläggning av Sveriges länsstyrelsers tillståndsansökningar för vindkraftverk gjordes under 212 och av alla ansökningar, motsvarande 8 TWh producerad vindkraft per år, förväntas ungefär hälften av ansökningarna att få tillstånd, med en stor del av dem placerade i norra Sverige (Söderberg, 213). Energimyndigheten har tagit fram ett planeringsmål 3 TWh vindkraft i Sverige år 22 (Energimyndigheten, 27) Det kan nämnas att om man tar Svenska Kraftnäts sammanställning så innebär nivån 45 MW ca 1 TWh i årsproduktion från vindkraften. Om man antar att hälften av detta blir av så motsvarar det 5 TWh/år. Nivån innebär att om man i Sverige, t ex, skulle införa ett fastprissystem och betala ca 1 kr/kwh skulle produktionen bli mycket stor, säkert över 5 TWh. Men i dagsläget har Sverige ett 17

elcertifikatsystem vilket medför att om det byggs mer än vad certifikatsystemet är gjort för så kommer certifikatspriset att bli mycket lågt vilket kraftigt skulle försämra ekonomin för vindkraftsbolagen. För analys av vindkraften i denna rapport har här använts de data som finns presenterade i rapporten (Magnusson, 24). Resultatet från den studien utgörs av tidsserier av effektproduktionen för 56 vindkraftsanläggningar i Sverige baserat på tänkta geografiska placeringar. Huvudscenariot, vilket används här, är 4 MW vindkraft fördelat över hela landet. Detta ger som genomsnitt en elproduktion per år om ca 1 TWh. Från denna rapport kan man ta fram elproduktion per timme för dessa 4 MW för åren 1992 21. Vindkraftverket som används i rapporten har vind effekt kurva enligt Figur 13. Studien bygger på verkliga vinddata från 1992 21 så den ger en realistisk bild av hur vindkraften skulle kunna variera. År 1992 har här valts då det ger en årsproduktion som ligger nära 1 TWh: 1,2 TWh. Vinden varierar kontinuerligt och eftersom elproduktionen varierar med vinden enligt Figur 13 varierar också elproduktionen. Figur 14 visar varaktighetskurvan för vindkraften enligt data beskrivna ovan, dvs 4 MW vindkraft spritt över hela Sverige för året 1992. 4 35 3 Total vindkraft [MW] 25 2 15 1 5 1 2 3 4 5 6 7 8 9 Vindeffektens varaktighet = hur lång tid viss nivå överskrids [h]: 1992 Figur 14 Varaktighetskurva för vindkraft i Sverige. Baserat på vinddata för 1992 Maximal produktion blev 388 MW. Nivån 3 MW överskred under 488 timmar, dvs under 5,6 procent av året. Lägsta nivån var,5 MWh/h och inträffade 18 maj kl 2 3. Av intresse för kraftsystemet är hur vindkraften samvarierar med elkonsumtionen. Utmaningen är att klara den övriga produktionen på ett säkert sätt, dvs skillnaden mellan elkonsumtion och vindkraft, den så kallade netto produktionen = elförbrukning vindkraft. Om man antar att man har 211 års konsumtion och 1992 års vindkraftsproduktion kan man beräkna detta. Det kan tilläggas att i dessa beräkningar har vindkraftsproduktionen den 29 februari tagits bort, då 1992 var ett skottår vilket 211 inte var. Resultatet visas i Figur 15. 18

3 x 14 Förbrukning/nettoförbrukning [MW] 2.5 2 1.5 1.5 1 2 3 4 5 6 7 8 9 Förbrukningens och nettoförbrukningens varaktighet [h] Figur 15 Varaktighetskurva för elförbrukning (överst) och nettoförbrukning (nederst) i Sverige. Baserat på elförbrukning för 211 och vinddata för 1992. Den översta kurvan i Figur 15 visar samma resultat som Figur 2, dvs varaktighetskurvan för elförbrukningen 211. Den maximala förbrukningen var 26174 MWh/h. Om man för varje timme beräknar nettoförbrukning (som ska klaras av andra kraftverk) så erhålls den nedre kurvan när man lägger timvärdena efter varandra i fallande storleksordning. För nettoförbrukningen är maxvärdet 24445 MWh/h, dvs en minskning med 1729 MWh/h. Minsta elförbrukningen är 8884 MW/h medan den minsta nettoförbrukningen är 692 MWh/h, dvs en minskning med 1982 MWh/h. Som framgår at figuren och dessa två data så är minskningen ungefär lika stor för samtliga nivåer. Det kan tilläggas att en årsproduktion om 1,2 TWh motsvarar en genomsnittlig produktion om 1157 MW. Det bör dock påpekas att man här tagit elförbrukning och vindkraft från olika år. Frågan är då hur representativa dessa data är när man i verkligheten ska ta elförbrukning och vindproduktion från samma tid. Den egentliga frågan är om det är någon korrelation, dvs samvariation, mellan elförbrukning och vind. Över året finns en positiv korrelation eftersom det både blåser mer och är högre elförbrukning under vintern. Frågan är dock hur det ser ut just vid hög elförbrukning. I Tabell 4 har vindkraftsproduktionen som använts ovan (Magnusson, 24) för åren 1992 studerats för de tillfällen då elkonsumtionen varit som högst för varje år. Datum och tidpunkt för högsta elförbrukning per år har hämtats från (Svensk Energi, 1992 21). Datum tid Maximal förbrukning [MW] Vindkraft [MW] Andel av installerad effekt [procent] 1992-1-2 8-9 239 459,9 11,5 4,3 1993-12-14 16-17 244 468, 11,7 41, 1994-2-14 8-9 244 1134,8 28,4 99,4 1995-12-21 8-9 244 1312,1 32,8 114,9 1996-2-7 8-9 263 549,8 13,8 48,2 1997-2-17 8-9 255 1941,1 48,5 17, 1998-12-7 16-17 246 2253, 56,3 197,4 1999-1-29 8-9 258 823,7 2,6 72,2 2-1-24 8-9* 26 52,5 13, 45,6 21-2-5 17-18 268 1915,8 47,9 167,8 Genomsnittligt värde: 1137,9 28,4 99,7 Tabell 4: Vindkraftens tillgänglighet vid hög elförbrukning för åren 1992 21. Andel av årsgenomsnitt [procent] 19

Den genomsnittliga vindkraftsproduktionen vid 1 TWh/år är 1142 MW. Resultatet från denna studie är att genomsnittet vid hög förbrukning är ungefär densamma som årsgenomsnittet. Samma resultat har erhållits vid en annan studie av åtta tidigare elförbrukningstoppar, men då studerades endast vindkraftsproduktion i södra Sverige (Söder, Vindkraftens tillgänglighet vid hög last, 1987). Som framgår av denna tabell är den genomsnittliga vindkraftsproduktionen vid hög elförbrukning (1137,9 MWh/h) lägre än minskningen i exemplet i Figur 15 (1729 MWh/h). Det ska dock påpekas att det inte är exakt samma sak som visas i tabellen respektive figuren. I Tabell 4 visas endast en timme per år, medan Figur 15 studerar samtliga timmar under året. I princip skulle det kunna blåsa mycket vid den högsta elförbrukningen, men betydligt mindre vid den näst högsta elförbrukningsnivån. Därför är metoden som visas i Figur 15 bättre än den i Tabell 4. Metoden i Figur 15 för ett givet år och given vind kan aldrig ge ett större vindkraftsbidrag till minskad toppförbrukning än om man bara studerar ett tillfälle per år. Vad som även är centralt för driften av kraftsystemet är hur snabbt förändringar sker. Ett första steg är att studera hur vindkraften kan variera mellan olika timmar. Detta visas i Figur 16. 15 1 15 1 Ändring inom 1 timme [MWh/h] 5-5 Ändring inom 4 timmar [MWh/h] 5-5 -1-1 -15 5 1 15 2 25 3 35 Initial vindkraft-produktion [MWh/h]: 1992-15 5 1 15 2 25 3 35 4 Initial vindkraft-produktion [MWh/h]: 1992 Figur 16: Vindkraftens variation under 1 timme (vänster) respektive 4 timmar (höger) Figur 16 visar att 4 MW vindkraft varierar upp till ungefär 3 MW (dvs < 1 procent) mellan olika timmar och upp till ca 12 MW (ca 3 procent) inom 4 timmar. I ett kraftsystem med större mängder vindkraft måste den övriga produktionen följa med nettokonsumtionens variation, se Figur 17. För enbart elförbrukningen, se Figur 3. 2

8 8 6 6 Ändring inom 1 timme [MWh/h] 4 2-2 Ändring inom 4 timmar [MWh/h] 4 2-2 -4-4 -6.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2 2.2 2.4 Initial netto-förbrukning [MWh/h] x 1 4-6.6.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2 2.2 2.4 2.6 Initial netto-förbrukning [MWh/h] x 1 4 Figur 17. Ändring av nettoförbrukning i Sverige under 1 timme (vänster) respektive 4 timmar (höger). Elförbrukningsdata från (Svenska Kraftnät, 21 211) och 4 MW vindkraft för 1992. Data från (Magnusson, 24) I Figur 3 visades samtliga förbrukningsändringar för 211 för 1 respektive 4 timmar. I Figur 17 visas istället motsvarande netto förbrukningsändringar. Skillnaden för båda diagrammen är relativt liten. Detta beror på att vindkraftsproduktionen ofta är på relativt låg nivå (<3 MW under ca 94 procent av tiden, se Figur 14) och att vindkraften är spridd över hela landet och det sker därmed inte så stora förändringar inom en timme. 4 timmars förändringar kan dock vara större. Observera att y axeln har ändrad skala om man jämför Figur 17 med Figur 3. En annan relevant fråga är hur länge som höga nivåer på nettoförbrukningen varar. För de data som analyserats här, dvs svenska elförbrukningen 211 och 4 MW vindkraft för 1992 erhålls längd på dessa höga nivåer enligt Figur 18. Den högsta nettoförbrukningen var 24445 MWh/h. x 1 4 2.44 2.43 nivå på effekttopp [MWh/h] 2.42 2.41 2.4 2.39 2.38 2.37 2.36 2.35.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5 längd på effekttopp [h] Figur 18: Utseende på netto effekttoppar som funktion av tiden. Som framgår av Figur 18 så har maximala nivån på netto förbrukningen minskat jämfört med enbart elförbrukningen i Figur 4. Maximala längden på effekttoppar för de sista 1 MW är ca 4 timmar. 4.3. Sol el El kan erhållas direkt från solinstrålning med solceller. Tekniken har funnits länge och har på senare år kommit ner ordentligt i kostnad jämfört med tidigare. Kostnaden kan under vissa förutsättningar i 21

dagsläget ligga på ca 2 kr/kwh vilket är ett högre pris än t ex vindkraft eller dagens marknadspris. När det sjunker ytterligare kan det inom ett par år hamna på ungefär samma nivå som många konsumenter betalar för sin el, dvs marknadspris + skatter avgifter och nätkostnad. I ett sådant läge kan sol el komma att expandera starkt då det blir lönsamt för konsumenter att generera egen el. Mycket beror dock på skattesystem, möjligheter till så kallad netto debitering etc. Sol el står för närvarande för en mycket liten produktion i Sverige om man ser det ut hela nationens synvinkel. I Sverige fanns i slutet av 211 15,8 MW solceller (IEA PVPS, 212). Motsvarande siffror var för Tyskland 2482 MW och för Italien 1283 MW (IEA PVPS, 212). Totalt fanns i hela världen ca 636 MW att jämför att i slutet av 29 var nivån 276 MW, dvs mer än en tredubbling på två år. Utvecklingen är därmed mycket snabb. I denna rapport görs en uppskattning av hur en möjlig installation av större mängder solceller skulle ge för effektvariationer. För detta har data funnits tillgängligt från 11 platser i Sverige. Data har erhållits från SMHI och avser solinstrålningsvärden per timme för åren 1997 21. Erhållna soldata avser genomsnittlig effekt per timme över en horisontell yta [Wh/h/m 2 ] för global och diffus strålning. Dessutom har temperaturdata och vinddata erhållits. De två sistnämnda är viktiga eftersom vanliga solceller verkningsgrad minskar vid ökad temperatur. Man kan formulera samma slutsats som att verkningsgraden ökar vid lägre temperatur, dvs mycket sol en sval blåsig dag i maj kan mycket väl ge mer el än en mycket varm och stilla dag i juli. Dessa data finns dock enbart för var tredje timme. Här har antagits linjär interpolation för att få fram temperatur och vind data för varje enskild timme. De data som används är de för 1999 då kvalitén varit bäst. Dock har inte alla datapunkter funnits med. I de fall de inte funnits har samma soldata som timmen innan antagits, respektive samma temperaturdata som datapunkten innan, dvs 3 timmar innan. För vissa platser har kvalitén varit för dålig så dessa data har inte använts. För Lund användes temperaturdata för Malmö. Stockholms data var för dåliga. I Tabell 5 sammanställs data för de platser som data erhållits från. I grundexemplet har här antagits att det finns lika stor yta med solceller på samtliga ställen. I tabellen visas även maximal effekt per kvadratmeter med användandet av soleffektberäkning enligt nedan, samt även maximal effekt med en antagen yta så att 1 TWh sol el erhålls per år. Plats 1:Lund 2:Växjö 3 Visby 4 Norr köping Max W/kvm 96,2 91,3 9,51 91,43 Max MW 1264 122 1191 123 Plats 5 Karlstad 6 Borlänge 7 Frösön 8 Umeå Max W/kvm 9,83 88,84 84,88 88,18 Max MW 1195 1169 1117 116 Plats 9 Luleå Summa Max W/kvm 87,82 Max MW 1156 1657 Tabell 5: 9 platser med antagen solel i Sverige. Elproduktionen från en solkraftsanläggning beror på solinstrålning, yta och verkningsgrad på solceller vilket är en funktion bland annat av 22

temperatur på solcellerna. Temperaturen på solcellerna beror på uppvärmning från solen och även på kylningen vilken beror på bland annat utetemperatur och kylning från vinden. Här har antagits att erhållen elproduktion per timme kan beräknas enligt följande formel (Widén, 211): Pk ( ) AI ( k) ( k) T c add där A=solcellernas area, I T (k)=solinstrålning [W/m2], η c (k)=solcellernas effektivitet, η add = effektivitet i övriga delar, t ex omriktare. Solcellernas effektivitet beror på omgivande temperatur enligt (Beckman, 1991), (Widén, 211): c( k) c, STC 1 ( Ta( k) Tc, STC CIT( k)) där η c,stc = solcellernas effektivitet vid Standard Test Conditions, STC, μ= solcellernas temperaturkoefficient, T c,stc = solcellernas temperatur vid STC och C=koefficient för instrålningsberoende. Modellparametrar har satts till att representera ett system med solceller med kristallint kisel och en standard omriktare (Widén, 211): (η add =.8, η c,stc =.14, μ=.4%/ C, T c,stc = 25 C, C= 2,8% per C) Totalt erhålls med dessa antaganden en installerade effekt om 1657 MW (se Tabell 5) för att erhålla en årsproduktion om 1 TWh. Som jämförelse kan nämnas att detta är mindre än hälften av den mängd solceller som för närvarande finns i Tyskland. Varaktighetskurvan för total solel i Sverige visas i Figur 19. Som framgår av figuren sker en viss sammanlagring av solcellseffekten, dvs maximal erhållen total produktion (785 MW) är lägre än totalt installerad effekt (1657 MW). Detta beror på att max effekt inte inträffar samtidigt vid de olika platserna. 8 7 6 Total solkraft [MW] 5 4 3 2 1 1 2 3 4 5 6 7 8 9 Soleffektens varaktighet = hur lång tid viss nivå överskrids [h]: 1999 Figur 19 Varaktighetskurva för total solelsproduktion från 1657 MW solceller i Sverige. Solelen produceras huvudsakligen under vår sommar höst, dvs inte så mycket på vintern. 23